一种基于体硅加工工艺的微型热电能量采集器的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于热电转化技术领域，涉及一种热电能量采集器及其制备方法，特别是涉及一种基于体硅微机械加工工艺的微型热电能量采集器制备方法。
【背景技术】
[0002]热电转换技术是一种基于材料的塞贝克效应将热能直接转化成电能的电力技术。作为一种新能源和可再生能源的利用技术，由于其体积小、质量轻、寿命长、无机械运动部件、绿色环保等优点，热电转换技术引起了国内外科研人员的广泛关注。热电转换技术能够充分利用工业余热、废热、地热等低品位能源，为解决能源危机带来新的希望。
[0003]由于每个热电单元输出的电压很低，为了获得较高的电压以满足实际应用的需求，通常将很多热电偶对串联成热电堆，从而获得具有较高输出电压的热电能量采集器。微型热电能量采集器可用于无线传感网络、可穿戴设备等电源供电，具有广阔的应用前景。
[0004]根据热流流经方向的不同，热电能量采集器主要分为垂直结构和平面结构。垂直结构由于热电偶臂端面与导热衬底接触面积较大，有良好的接触，可以降低接触热阻和接触电阻，但也因较大的接触面导致器件具有较低的集成度。目前垂直结构所用的BeTi基材料，加工工艺与CM0S-MEMS工艺不兼容，且对人体和环境造成危害。平面结构一般为热流方向沿热电偶臂与导热衬底平行的薄膜热电偶器件，其加工工艺与CM0S-MEMS工艺兼容。相比垂直结构的热电能量采集器，平面结构的器件热流路径不及前者，但由于其具有较小的接触面，从而导致器件具有较高的集成度。但是由于器件内部的接触电阻和接触热阻都比较大，以及制备这种结构所使用的材料本身热电优值系数低，导致器件的温差利用率低、输出功率较小。
[0005]热电能量采集器的研究工作主要集中在两方面:1、寻找易于加工的具有高优值系数的热电材料；2、优化器件结构，使温差尽可能的落在热电偶臂两端。热电能量采集器的发展目标是运用具有较高热电优值系数的材料制备易于加工和集成的具有良好热流路径的器件。
[0006]因此，提供一种新型热电能量采集器及其制备方法是本领域技术人员需要解决的课题。
【发明内容】
[0007]鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于体硅微加工工艺的微型热电能量采集器制备方法，用于解决现有技术中平面结构的热电能量采集器接触热阻和接触电阻高、垂直结构的热电能量采集器集成度低的问题。
[0008]为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种基于体硅微加工工艺的微型热电能量采集器制备方法，所述制备方法至少包括步骤:
[0009]I)制作器件层和顶部衬底片；
[0010]其中，制作所述器件层包括步骤:
[0011]1-1A)提供一 P型硅，刻蚀所述P型硅，形成若干深孔；
[0012]1-1B)在所述P型硅和深孔表面形成第一绝缘层，并在所述深孔的侧壁及底部溅射种子层，之后在所述深孔中填充热电材料，所述热电材料与第一绝缘层的表面齐平；
[0013]1-1C)在所述步骤1-1B)获得的结构表面形成第二绝缘层，刻蚀所述第一绝缘层和第二绝缘层，形成暴露所述热电材料的第一开口和暴露所述P型硅的第二开口 ；
[0014]1-1D)溅射顶部电连接层，所述顶部电连接层溅射在所述第一开口、第二开口及第二绝缘层表面，之后图形化所述顶部电连接层，暴露出第一开口和第二开口之间的第二绝缘层；
[0015]1-1E)在所述顶部电连接层及第二绝缘层表面形成第三绝缘层；
[0016]1-1F)在所述第三绝缘层表面形成第一键合层；
[0017]制作所述顶部衬底片包括步骤:
[0018]Ι-la)提供一顶部衬底，在所述顶部衬底表面形成第四绝缘层；
[0019]Ι-lb)在所述第四绝缘层表面形成第二键合层；
[0020]2)将所述器件层的第一键合层与顶部衬底片的第二键合层进行键合；
[0021]3)减薄所述P型硅的底部，直至暴露所述第一绝缘层；
[0022]4)在所述P型硅的底部形成第五绝缘层，刻蚀所述第五绝缘层和第一绝缘层，形成暴露所述种子层和P型硅的第三开口 ；
[0023]5)在所述第三开口中形成与所述种子层及热电材料电连的底部电连接层；
[0024]6)形成第六绝缘层，刻蚀所述第五绝缘层和第六绝缘以及P型硅，暴露第一绝缘层，剩余的P型硅和热电材料通过顶部电连接层形成串联的热电偶对；
[0025]7)在所述第六绝缘层上粘附一底部衬底片，从而形成热电能量采集器。
[0026]可选地，所述步骤1-1B)的过程为:在所述P型硅和深孔表面依次形成第一绝缘层和种子层，之后通过电镀工艺在所述深孔中填充热电材料，接着利用化学机械抛光工艺使表面平坦化，并使所述热电材料与第一绝缘层的表面齐平，最后退火。
[0027]可选地，所述步骤1-1F)中第一键合层为TiW/Au或Ti/Au，步骤Ι-lb)中第二键合层包括依次形成在所述第四绝缘层表面的非晶硅层和Ti/Au层，步骤2)中第一键合层和第二键合层的键合方式为Au-Si共晶键合。
[0028]可选地，所述步骤1-1F)中第一键合层为TiW/Au或Ti/Au，步骤Ι-lb)中第二键合层为TiW/Au或Ti/Au，步骤2)中第一键合层和第二键合层的键合方式为Au-Au热压键合。
[0029]可选地，所述步骤3)采用先湿法腐蚀后化学机械抛光的方式减薄所述P型硅的底部或直接采用化学机械抛光减薄所述P型硅的底部。
[0030]可选地，所述步骤6)中，形成第六绝缘层后，先旋涂光刻胶，然后进行光刻以及干法刻蚀工艺刻蚀所述第五绝缘层和第六绝缘层释放孔，去除所述光刻胶，再利用干法腐蚀工艺释放P型硅，从而暴露出所述第一绝缘层，形成热电偶对。
[0031]可选地，所述步骤6)中热电偶对包括热电材料和环绕在所述热电材料周围的P型娃。
[0032]可选地，所述步骤7)中，所述底部衬底片通过绝缘导热硅胶与所述第六绝缘层粘贴。
[0033]可选地，所述步骤7)中，所述底部衬底片为硅盖板、Al片或者陶瓷盖板。
[0034]如上所述，本发明的基于体硅加工工艺的微型热电能量采集器的制备方法，所述制备方法包括:器件层的制备，先将在P型硅上刻蚀深孔，再在深孔中填充热电材料，并通过顶部电连接层实现热电偶对之间的串联，之后通过键合将器件层转移到顶部衬底片，减薄器件层底部的P型硅，制作底部互联，释放器件层P型硅，得到热电偶阵列，最后黏附底部衬底片，即得到微型热电能量采集器。本发明的热电能量采集器与传统平面结构的采集器相比，其垂直结构的热电偶臂端面与导热板之间具有较大的接触面积，可以降低接触热阻和接触电阻，提高器件的温差利用率和发电功率；同时，相比垂直结构分立的热电偶臂阵列，这种柱与环的嵌套结构可以进一步提高器件的集成度。本发明的制备方法可以实现微型热电能量采集器的低成本、批量化生产。
【附图说明】
[0035]图1?图9为本发明步骤I)中制作器件层的结构流程示意图。
[0036]图10?图11为本发明步骤I)中制作顶部衬底片的结构流程示意图。
[0037]图12为本发明基于体硅加工工艺的微型热电能量采集器的制备方法步骤2)呈现的结构示意图。
[0038]图13为本发明基于体硅加工工艺的微型热电能量采集器的制备方法步骤3)呈现的结构示意图。
[0039]图14?图15为本发明基于体硅加工工艺的微型热电能量采集器的制备方法步骤4)呈现的结构示意图。
[0040]图16为本发明基于体硅加工工艺的微型热电能量采集器的制备方法步骤5)呈现的结构示意图。
[0041]图17?图19为本发明基于体硅加工工艺的微型热电能量采集器的制备方法步骤6)呈现的结构示意图。
[0042]图20为本发明基于体硅加工工艺的微型热电能量采集器的制备方法步骤7)呈现的结构示意图。
[0043]元件标号说明
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